新型電力系統下5G+云邊端協同的源網荷儲架構及關鍵技術初探

許 鵬，何 霖

(1.國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司信息通信公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在“雙碳”戰略目標的引領下，構建以新能源為主體的新型電力系統[1]已成為必然。新型電力系統形態中新能源比例的大幅提升將給電力系統帶來全新的挑戰，已有眾多學者針對高比例可再生能源接入的電力系統開展相關研究，從系統運行[1-2]、市場機制[3-4]、電網規劃[5]、配電網管理[6]、需求響應[7-8]、儲能建設[9-10]等方面深入研究支撐可再生能源高占比的電力系統支撐技術。文獻[11]相對系統地分析了高比例可再生能源電力系統在不同滲透率水平下的特性以及在保護、運行、規劃等方面面臨的挑戰，提出了一系列相應解決方案并剖析了關鍵技術。

近年來高峰電力供應緊張，傳統意義上的電源側的靈活性調整能力提升和電網側的運行特性優化已經難以滿足電力系統日益提升的安全、穩定、可靠、高效、經濟運行需求。源-網-荷-儲各環節協調優化的綜合能源系統已成為能源電力發展的迫切需求。國家發改委、能源局在《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》中明確提出了源網荷儲一體化和多能互補發展的重要意義以及發展實施路徑。文獻[12]綜合性地提出源網荷儲協調優化的系統架構，從基礎條件分析、系統規劃、系統運行、全過程綜合評價4個層次構建了能源互聯網源網荷儲技術框架。文獻[13-14]面向園區微網運行環境下的源網荷儲協同優化技術展開研究，分別就運營模式和模型求解算法優化方面提供了技術解決方案。文獻[15]則從電網規劃層面引入了源網荷儲協調優化概念，提出了電網發展新環境下的網架規劃技術方案。

隨著邊緣計算、5G通信、云邊協同等信息通信技術的高速發展，源網荷儲協同優化激活了新的發展動力。文獻[16-17]充分論證了5G技術在源網荷儲協同優化的電力系統當中應用的可行性和必要性。文獻[18]基于云邊協調的技術概念，提出了云-群-端協同的虛擬電廠調度優化技術，實現了虛擬電廠這一新型主體的優化控制。文獻[19]則基于云邊協同技術架構構建了集中-分散聯合控制的信息物理模型，實現了對傳統電網數學模型的優化提升。文獻[20]對云邊協同、邊邊協同、邊緣智能等技術概念進行了剖析，將其應用于電力系統運行當中，對源網荷各環節的應用前景進行了探討，促進云邊智能在電力系統中的應用發展。但總體而言，對于5G+云邊端協同綜合作用于電力系統下的系統技術構架和協同機制還尚未形成明確的方案，尤其對于新型電力系統發展背景下，源-網-荷-儲與云-邊-端之間的協作關系還需進一步厘清。

鑒于此，面向新能源比例提升的新型電力系統源網荷儲協調運行需求，嘗試基于5G通信與云-邊-端協同技術建立源網荷儲友好互動的信息物理支撐體系，探索基于5G+云邊端協同的源網荷儲技術架構及關鍵技術，助力新型電力系統建設。

1 新型電力系統技術特征

1.1 電源側的波動性與靈活性

新能源為主體是新型電力系統的重要特征，電源側新能源比例提升帶來的波動性和所配套的電源調峰調頻能力靈活性構成了電源側的鮮明特征。

靈活性調節資源的能力主要受到兩個方面的約束：1)與電源側新能源比例、新能源出力波動性呈現正相關關系。通常情況下，新能源出力的波動性體現為不可控的自然系數，故新能源比例的提升，即直接要求靈活性電源可調峰能力相應增大。當火電機組作為主要調峰調頻靈活性電源，其最大調峰能力存在約束限制，雖然靈活性改造可一定程度緩解此約束，但本質上并未實質性突破約束。2)為保障投運機組的利用效率，裝機量與用電負荷需求的比例存在一定意義上的上限約束關系，即在同等用電水平下，可接受裝機量不能無限擴張，存在經濟性邊界，則新能源裝機容量與靈活性電源裝機容量將呈現一定的反相關約束。這兩個約束，后者與前者構成了矛盾關系，因而如何實現高效經濟的靈活性調節成為新型電力系統需突破的關鍵技術。若要在不改變當前模式的情況下突破此約束，則需在高峰時段棄風棄光，即在波動性區間基本確定的情況下，風光利用率、裝機投資經濟性和新能源比例之間需要取舍。

從技術升級角度而言，實現電源側綜合效能提升的關鍵在于突破電源靈活性瓶頸，火電的靈活性改造可以很大程度緩解，但電源側本質上的格局改變需要其他的靈活性手段提升，如天然氣、調節性水電、抽水蓄能等靈活性更高的機組建設以及高效儲能的配套建設應用等。

1.2 電網側的連通性與風險性

電源側與負荷側的資源分布逆向性以及電源側強波動性環境下，跨省跨區的大電網范圍資源優化配置需求愈加顯著。充分利用不同地區的資源稟賦和負荷特性互補性是新型電力系統的必然需求，電網的強連通性是其物理基礎。但連通性增強的同時也意味著電網結構更加復雜，電力電子設備應用更加廣泛，電力系統運行穩定性要求更加嚴格，局部風險對電網運行全局的影響更加擴大，電網運行將面臨更加顯著的風險性。

新型電力系統中電網運行風險有效控制的技術突破，有賴于電力系統運行及調度控制過程的智能化、數字化轉型。從配電網到地方電網到跨省區互聯電網，各個層級和環節需要有機結合、有序運行，就更加需要數字化及智能化的手段來切實提升系統及設備事件的預測、預警、分析、推演、隔離、處置等全流程的執行效率和效果，保障電力系統可靠運行。

1.3 負荷側的多樣性與聚合性

負荷側的多樣性體現在兩個方面：1)分布式電源的廣泛接入。新型電力系統的建設進程中，要實現新能源為主的電源結構，采用集中式電站的形式對輸電網絡的堅強性帶來挑戰，亦不利于能源利用的經濟性。分布式光伏及微網綜合能源系統的發展也將成為新型電力系統的重要組成部分。2)用戶側負荷設備的多元化發展。隨著經濟生活水平的提升和電能替代工作的深入、電氣化產品的研發完善，電能在終端能源消費中的地位更加顯著，用戶側負荷設備的類型也更加多元，以溫控負荷、電動汽車為代表的靈活性接入負荷成為電網運行的重要可調節資源[21]。

但由于負荷側資源廣泛分散、單體能力有限的特點[22]，其靈活性體現不僅是對于新型負荷本身可調節能力的挖潛，更重要的是對于廣泛用戶終端負荷差異的聚合優化。充分利用用戶用電行為以及分布式能源在時間-空間上的差異性，通過智能的優化方法將差異性資源聚合成為符合電網運行需求的虛擬主體，為電網運行提供寶貴的調峰調頻能力。

1.4 儲能的功能性與經濟性

在源、荷雙側均具有高波動性、高靈活性的電力系統中，儲能具有至關重要的作用。根據配置部署的差異性，目前的主流儲能主要包括以下形式：源端的風光儲配套、荷端的分布式儲能、第三方獨立運營的儲能電站。各類儲能方式的功能性略有差異，但對于電力系統發展而言，最終，均可歸結為對系統運行穩定性的貢獻。而對于儲能運營主體而言，儲能的經濟性則是決定其可持續發展的根基。隨著電力現貨市場、調峰調頻輔助服務市場、峰谷/尖峰電價機制、需求響應激勵機制等市場機制的逐步推進，儲能的運營空間逐漸明朗，但目前的市場環境還處于建立和探索的階段，需要更加成熟的市場環境吸引社會資源投入，建立更加完善的運營機制，實現功能性與經濟性的統籌兼顧。

1.5 源網荷儲系統的實時性與廣泛性

新型電力系統環境下，源網荷儲各環節之間的相互依存度、聯系性和影響性更加突出，各方面信息流的實時交互是實現電網運行優化的基礎，尤其是電源側、負荷側的波動性需在運行過程中及時傳遞到電力系統各個單元，實現實時動態優化。

同時，系統的廣泛性會大大增強。目前的電力系統運行過程中，多環節之間呈現為鏈式的互動關系，且主要是源、網之間的雙向互動，以及對負荷的單向配合。新型電力系統的運行架構下，主體連接性更強，負荷側可通過需求響應等形式與電網構建雙向互動關系；而市場環境下，源、荷雙側強波動性促使二者建立直接互動關系，儲能則更加靈活，其在整個系統中接入點的不同和運營方式使得其與各個主體均可能存在顯著互動關系。

2 5G+云邊端協同

5G技術、云計算、邊緣計算、智能終端互聯等信息通信技術已在各個領域得到成功應用。5G+云邊端協同的概念體現為眾多信息通信技術的有機整合和系統性應用。直觀來說，就是充分利用5G低時延、強接入的技術特征，實現源網荷儲各環節中智能設備與各級系統平臺的廣泛互聯互通，從而建立終端感知處理、邊緣節點本地化分析優化、云端平臺統籌海量信息深度學習、綜合智能決策的有機整體，其核心不在于個體技術的堆疊應用，而在于面向多層級分析決策場景需求的協同運作體系。

從技術層次來說，5G+云邊端協同的層次結構與態勢感知、智能互聯等技術結構具有共通之處[23]，從邏輯上可劃分為感知層、傳輸層、計算層、決策層。感知層主要實現終端、設備環境、區域特征及系統全景等各層次的信息感知和采集；傳輸層主要是通過終端的5G延伸和主網的光纖支撐實現廣泛接入、高速交互的通信環境，支撐云邊端多級實時調控和廣域信息互通；計算層主要根據分析需求，利用用戶智能終端、邊緣計算節點、云端平臺的計算分析能力，實現多層級的數據挖掘和特征提取，構建基于用戶設備個體特征、區域特性及海量數據分析結果的多維特征集；決策層則是云邊端協同的最終體現，在高效的信息交互和多層次特征集基礎上，根據不同的調控需求，可在設備自動控制、區域優化和全局決策中組合協同，實現局部優化與全局最優的統籌。

如引言中所述，傳統的云邊協同模式主要是將云端作為大數據分析平臺，將邊端作為數據匯集和預處理的前端環節，且各環節的功能性劃分較為明確。因而云邊信息流交互主要呈現為垂直的線性關系，且受制于接入容量和通信性能，邊緣節點僅能設置在已有較好通信條件的接入點，如變電站等，難以支撐對于廣泛終端設備的延伸接入。相較而言，所述5G+云邊協同的主要架構特征在于其物理上的“云-管-邊-端”層次與邏輯上的“感知-傳輸-計算-決策”層次不再是一維線性對應的線性關系，而是縱橫交錯的二維交叉協同關系。典型如大多數的技術架構中將終端更多地定義為一個感知的單元，用于數據的采集、解析、傳輸，計算功能則通常從邊緣節點甚至云端平臺的層次開始。在5G+云邊端協同架構下，終端是具備基本決策和處理能力的獨立單元，一定程度上代理了用戶的行為，而非單純的用戶行為信息采集。邊緣節點(端)、云平臺的概念亦然，各環節存在自身的垂直運行體系和橫向的協同關系，詳見圖1。

圖1 5G+云邊端協同技術層次

3 基于5G+云邊端協同的源網荷儲技術架構

3.1 傳統源網荷儲技術推廣局限性

源網荷儲技術概念提出后，長期未能實現大范圍推廣應用的主要瓶頸除外在環境因素外，更多在于傳統模式存在的部分技術局限性。

1)網荷交互時延與電網運行需求時效的不匹配：以往的需求側響應嘗試中，大多數的實現方式采用提前約定響應時段及響應量并以短信提前告知的方式。用戶的真實響應量、響應時效往往需要事后核驗，而電網的運行需求往往是即時性甚至突發性的，兩者之間存在需求和特性不匹配的直接問題。

2)終端接入成本高：源、網之間基于自動發電控制(automatic generation control，AGC)的互動方式目前在電力系統中廣泛應用，其基礎在于電源側通過專用光纖接入了電力通信網，但接入成本高昂。源網荷儲方面，江蘇等地也做出了很多有益的嘗試[24]，通過專用光纖、4G專網等方式，實現了毫秒級的負荷控制，但此類方式同樣對于用戶側終端及接入條件要求很高，建設成本較大，僅適用于部分大工業用戶改造，對普遍性的用戶投資存在局限性。

3)控制精度不足：傳統源網荷控制系統主要是通過用戶側不同性質用電設備的物理接線改造來實現集中式控制，改造成本高，靈活性不足；控制過程主要體現為開關式控制，對用戶側的用電體驗影響顯著，一定程度影響參與意愿。

4)決策難度大：由于源網荷儲協同的電力系統中各環節、各設備廣泛的互聯互通，也導致了在處理同等問題的過程中需要考慮的約束和影響線性增加，其決策難度和復雜性呈指數性上升。因此已有系統中通常采用較為簡單的判定邏輯和動作關系進行決策，對于策略的綜合優化和多樣性發展還有所欠缺。

3.2 基于5G+云邊端協同的源網荷儲

5G+云邊端協同技術架構的靈活接入、高效交互及多層次協同分析決策等優勢，對于彌補當前源網荷技術局限性具有可借鑒意義，為新型電力系統源網荷儲提供了新的可能。基于5G+云邊端協同的源網荷儲技術架構，受益于5G技術大容量的接入特性及低時延的傳輸特性，可在大幅降低用戶接入成本的同時，保障通信過程的實時性需求，真正實現源網荷儲實時交互。同時，借助網絡5G切片技術[25]，可采用電力專用切片保障通信過程的安全性，而無需構建專網。

智能終端、邊緣節點和云端平臺為互動過程的決策和計算提供了物理基礎。智能終端市場的逐步完善使得用戶側負荷設備接入后，互動控制更加智能和精細，不再局限于開關式控制，而可以按需采用更加人性化的溫度控制、功率控制等靈活調控模式，為精細化組合調控策略的實現提供技術基礎。云、邊、端的三級計算體系可以根據不同層級業務的計算需求提供相應的環境，實現對業務處理過程時效性、精確性、全面性等多方面的綜合統籌均衡。

從具體技術架構而言，5G+云邊端協同技術的介入使得原先源網荷之間以電網為樞紐橫向串聯的鏈式關系擴展為橫向交叉連接、縱向各領域“云-管-邊-端”拓展的多維網狀關系。儲能靈活配置在電源側或用戶側(獨立儲能單元接入電網的也可視為用戶側靈活性單元)，源、網、荷、儲通過更加多樣化的電力流和信息流，以及更加豐富的終端設備類型，構成連接關系更加密切、信息流匯聚和交互更加靈活的技術架構，如圖2所示。

圖2 基于5G+云邊端協同的源網荷儲技術架構

4 關鍵技術

4.1 源-網-荷-儲多級協調的輔助服務執行機制

5G+云邊端協同支撐下的源網荷儲體系中，能夠為系統提供輔助服務的手段和方式更加多樣，各個層級、各類方式之間的協同配合和時序銜接成為實際電力系統運行中的關鍵。從時序而言，可以根據電網輔助服務的控制時效需求，匹配不同閉環控制動作完成所需的時間周期，實現初步的協同，如調頻需求優先調用AGC秒級應用、日前調峰考慮開停機和日前需求響應等。進一步地，對于滿足相同時序需求的多個控制方式，需建立充分考慮多因素綜合決策的協作機制，如局部故障產生日內小時級調控需求時，電源增發、電網運行調整、需求響應、虛擬電廠、儲能調用等方式均為可選方式[8，12，17，21]。但實際執行中如何根據電力電量平衡、電網運行約束、經濟性、環保性等多方面因素綜合決策，實現多方式組合最優化調度，是新型電力系統中需要深入研究的關鍵技術。

4.2 精準需求響應及其運行策略

相比于源、網的調度控制而言，荷端的可調用性仍在起步階段。廣義的需求響應涵蓋了價格引導、直接負荷控制、可中斷負荷、緊急需求響應、輔助服務、市場競標等具體形式[26]。不同方式的影響程度、實現難度、動作模式、參與主體、執行邏輯等方面均存在顯著差異，典型體現如圖3所示。新型電力系統源荷雙側波動性和電網的復雜性對需求響應的時效、規模、執行效果等均提出了更高的精準要求，如何充分利用5G+云邊端協同的技術優勢，兼顧用戶、電網、運營主體等多方面需求，實現需求側多種響應手段時序綜合最優化決策是源網荷儲協同的重要基礎。同時，需通過深入研究用戶行為學習、多主體博弈、多目標優化等技術，構建精準、精確的需求響應交互及執行機制，以保障決策結果與執行效果的匹配度，提升源網荷儲協同的有效性。

圖3 廣義需求響應典型模式及特點

4.3 面向全系統周期的泛化數據驅動模式

新型電力系統下各環節復雜性和聯動性大幅提升，對于全系統周期運行的技術支撐手段提出了更高的要求。尤其在5G+云邊端協同體系下，各環節的數據采集和接入能力顯著提升，感知數據的維度也將向末端設備尤其用戶側負荷設備泛化。面向海量、泛化、異構的源-網-荷-儲各端數據，目前的數據挖掘和分析手段還具有局限性[27]，且尚未形成各環節感知、分析、決策、執行有效協同的數據驅動運行模式，需充分結合運用計算機科學領域的智能化、數字化研究成果，深入研究探索，實現面向新型電力系統全系統周期的數據驅動運行模式，提升系統整體運行效率和智能化水平。

5 結 論

上面提出了一種面向新型電力系統的5G+云邊端協同的源網荷儲技術架構，通過對新型電力系統源、網、荷、儲各端特性的分析，基于5G+云邊端協同技術實現對于源網荷儲協同的時效性、靈活性、精確性和合理性提升，構建了橫向源網荷儲交叉連接、縱向各領域云-管-邊-端拓展的技術架構，并闡明該架構下的關鍵技術研究方向，更加適應新型電力系統靈活多變、廣泛多樣的系統運行需求，為相關領域的研究實踐提供可借鑒方案。

從應用前景而言，在高波動性、靈活性、復雜性新型電力系統中，所述的技術體系為電力供需平衡的調峰應用、設備故障或新能源出力劇烈波動導致的緊急調頻應用、廣泛分布式電源及柔性負荷設備接入的電網魯棒性提升應用等場景，提供了具備探索意義的技術架構。可以預見，其運行靈活性、手段多樣性和綜合優化性提升的優勢將為促進源網荷儲的技術發展提供新的環境和可能，但其具體實施效果可能受到關鍵技術瓶頸、應用環境、特性差異等諸多約束，這也是后續相關的研究和實踐工作中需繼續深化的關鍵所在。